Un chip laser con una potenza ottica in uscita singola superiore a 500 mW è già un chip laser ad alta potenza. L'efficienza di conversione varia a seconda del materiale. Ad esempio, l'attuale elevata potenza della luce rossa può raggiungere il 50% e l'energia elettrica rimanente viene convertita in energia termica.
Per i LD a bassa potenza, come il livello in mW utilizzato nelle comunicazioni ottiche, la catastrofe superficiale della cavità è generalmente raramente considerata. I chip laser ad alta potenza sono soggetti a catastrofe sulla superficie della cavità Danni ottici catastrofici, COD. Il danno catastrofico ottico, noto anche come danno catastrofico allo specchio ottico (COMD), è una modalità di guasto dei laser ad alta potenza.
Di solito si pensa che il COD sia causato dal sovraccarico della giunzione PN del semiconduttore dovuto al superamento della densità di potenza e all'assorbimento di troppa energia luminosa generata dal guadagno, che alla fine porta alla fusione e alla ricristallizzazione dell'area superficiale della cavità, e l'area interessata produrrà un gran numero di difetti reticolari, che distruggeranno le prestazioni del dispositivo. Quando l'area interessata è sufficientemente grande, chiameremo annerimento della superficie della cavità, crepe, solchi e altri fenomeni osservati al microscopio ottico come "meccanismo COD esterno".
È possibile migliorare la capacità del chip a luce rossa di resistere al COD (danno catastrofico allo specchio ottico) attraverso una varietà di metodi, tra cui principalmente la selezione del materiale, la tecnologia delle finestre di non assorbimento e l'ottimizzazione della progettazione del chip.
Selezione del materiale:
L'uso di materiali di alta qualità è la base per migliorare la resistenza al COD. Ad esempio, il materiale AlGaInP mostra buone prestazioni nello spettro rosso e può essere utilizzato per preparare LED rossi ad alta efficienza.
Nei chip Micro LED, l'uso del materiale in nitruro di indio e gallio (InGaN), combinato con la tecnologia dei pozzi a forma di V, può alleviare efficacemente la segregazione dei componenti ad alto contenuto di contenuto in, migliorando così le prestazioni complessive del chip.
Tecnologia delle finestre non assorbenti:
La tecnologia delle finestre non assorbenti è un metodo efficace che può ridurre significativamente l'assorbimento della luce dei chip laser, sopprimendo così la generazione di COD. Ad esempio, utilizzando la tecnologia di diffusione dello Zn per formare una finestra non assorbente, è possibile preparare un laser a semiconduttore ad alta potenza da 660 nm, il cui assorbimento della luce sulla superficie terminale è ridotto, contribuendo a sopprimere il COD.
Ottimizzazione del design del chip:
Durante la fase di progettazione del chip, la resistenza del COD può essere migliorata ottimizzando la struttura e i parametri. Ad esempio, controllando la localizzazione dei portatori, l’impatto della ricombinazione non radiativa superficiale sull’efficienza quantistica interna può essere notevolmente ridotto, migliorando così le prestazioni complessive del chip.
Nella fase di epitassia del materiale, è possibile eseguire anche l'ottimizzazione per garantire l'uniformità e la stabilità del materiale, migliorando così la resistenza al COD del chip.
Altri mezzi tecnici:
Anche il miglioramento dell’efficienza di conversione dei chip laser è una direzione importante. Per un singolo chip laser con una potenza ottica in uscita superiore a 500 mW, l'efficienza di conversione può raggiungere il 50% e l'energia elettrica rimanente viene convertita in energia termica, che aiuta a ridurre la temperatura del chip e quindi a migliorarne la resistenza al COD.
In sintesi, utilizzando in modo completo materiali di alta qualità, tecnologia delle finestre non assorbenti, ottimizzazione della progettazione dei chip e altri mezzi tecnici correlati, la resistenza al COD dei chip a luce rossa può essere effettivamente migliorata, migliorandone così le prestazioni e l'affidabilità complessive.
Una volta che si verifica il COD, il chip verrà danneggiato irreversibilmente, generalmente con un calo della potenza ottica superiore al 50% o addirittura con l'assenza di luce. Come migliorare la capacità del chip di resistere al COD? Possiamo impegnarci nella fase di epitassia del materiale, nella fase di progettazione del chip, nella fase di processo del chip e nel trattamento superficiale della cavità della faccia finale del chip.
Diverse opzioni per migliorare la resistenza dei trucioli al COD:
1Strain Tecnologia dei pozzi quantistici
Essendo la regione attiva più utilizzata dei laser a semiconduttore, i pozzi quantistici mostrano densità di sottobande e stati di gradino quantizzati all'interno, che miglioreranno notevolmente la densità di corrente di soglia e la stabilità della temperatura del laser; modificando la larghezza del pozzo potenziale e l'altezza della barriera, è possibile modificare l'intervallo di energia quantizzata e realizzare le caratteristiche sintonizzabili del laser. Rispetto al tradizionale laser a semiconduttore a doppia eterogiunzione, può ridurre efficacemente la corrente di soglia del laser e migliorare l'efficienza quantica e il guadagno differenziale. L’introduzione della tensione nel pozzo quantistico cambierà in modo significativo la sua stessa struttura di bande di energia. Regolando le posizioni delle bande di fori pesanti e leggere nella banda di valenza, i parametri di progettazione e il grado di libertà della struttura epitassiale del chip verranno aumentati. In generale, l'introduzione di una deformazione di compressione nella struttura epitassiale del pozzo quantico composta da materiali ternari e quaternari III-V intensificherà il cambiamento della funzione della banda di energia, riducendo così la corrente di soglia del laser; introducendo una tensione di trazione, appiattirà la funzione della banda energetica. In una certa misura, il guadagno del materiale quando si lavora ad alta potenza risulta migliorato. L'emergere di pozzi quantici deformati consente di ottenere la struttura di bande di energia richiesta e di aumentare il guadagno regolando la deformazione, facendo un grande passo avanti nelle prestazioni dei laser a semiconduttore.
2 Tecnologia del pozzo quantico senza alluminio
I laser senza alluminio presentano evidenti vantaggi rispetto ai laser contenenti alluminio:
1) I materiali privi di alluminio hanno una densità di potenza COMD maggiore rispetto ai materiali contenenti alluminio. L'alluminio nella regione attiva si ossida facilmente e produce difetti di linea scura, che riducono la densità di potenza quando si verifica COMD e facilitano la produzione di COMD, limitando così la potenza e la durata del laser.
2) Allo stesso tempo, rispetto ai pozzi quantici contenenti alluminio, i pozzi quantici privi di alluminio hanno una resistenza inferiore e una conduttività termica più elevata, quindi il tasso di ricombinazione superficiale è basso, l'aumento della temperatura superficiale è basso, il tasso di degradazione della superficie della cavità è lento , la risalita dei difetti della linea scura è inibita e il tasso di degradazione interna del materiale è lento.
3. Struttura e metodo di confezionamento dei chip: dal punto di vista della progettazione della struttura di confezionamento del dispositivo, selezionare materiali con coefficiente di dilatazione termica e conduttività termica migliori, progettare il coefficiente di dilatazione termica e la conduttività termica dei materiali del dissipatore di calore per regione, introdurre stress di confezionamento di diverse dimensioni e tipi, aumentare la larghezza del gap di banda e quindi migliorare la resistenza al COD del chip.
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